26/04/2015 departamento de física y química - ipep cádiz 1 tema 5 : interacciones fundamentales...

21/04/23 Departamento de Física y Química - IPEP Cádiz 1

Tema 5 : INTERACCIONES FUNDAMENTALES

1.. Fuerzas gravitatorias

1.1. Ley de gravitación universal

2.. Fuerzas eléctricas

4.. Las fuerzas fundamentales de la naturaleza

3.. Fuerzas magnéticas

1.2. Campo gravitatorio

2.1.Electrización

2.2.Ley de Coulomb

3.1. Campo magnético

1.3. Peso de los cuerpos

2.3.Campo eléctrico

4.1 Campos de fuerzas


1.. Fuerzas gravitatorias. Ley de gravitación universal

Cuando lanzamos un objeto hacia arriba vuelve a caer sobre la superficie de la Tierra debido a que ésta lo atrae. De la misma manera, la Tierra atrae a la Luna o la propia Tierra es atraída por el Sol. En general, dos cuerpos cualesquiera, por el hecho de tener masa, se atraen con cierta fuerza gravitatoria

Fue el científico inglés Isaac Newton, quien en el siglo XVII, formuló matemáticamente, mediante la LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL, la interacción gravitatoria entre dos cuerpos cualesquiera del universo.

Dos partículas materiales se atraen mutuamente con fuerzas dirigidas a lo largo de la línea que las une y cuyo módulo es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

m1 m22,1F

1,2F

1u

2u

d

1 22,1 22

m mF G u

d

1 21,2 12

m mF G u

d

Estas fuerzas siempre se presentan a pares y son iguales y opuestas: 1,2 2,1F F

El módulo de ambas es: 1 21,2 2,1 2

m mF F G

d


La constante de proporcionalidad G recibe el nombre de constante de gravitación universal

Ley de gravitación universal (Cont.)

Su valor es independiente del medio que rodea a las masas y es el mismo para cualquier pareja de masas del universo.

Un siglo después de que Newton enunciara su ley, el científico inglés Cavendish midió su valor mediante una balanza de torsión:

A finales del mes de abril de 2000, un grupo de investigadores de la Universidad del Estado de Washintong ha presentado en la reunión de la Sociedad Americana de Física, en California, un valor de G con un error del 0,0015%.

211

2

N mG 6,6739 10

kg

211

2

N mG 6,67 10

kg

Balanza de torsión utilizada para medir G

Applet Fislab Tavi Casillas

Applet Angel Franco

Applet

http://www.xtec.cat/~ocasella/index2.htm

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/celeste/kepler4/kepler4.html

http://www.astro.utoronto.ca/~zhu/ast210/geocentric.html


Ley de gravitación universal (Cont.)

d = 384 400 km =3,844·108 m

Luna,TierraF

Tierra ,LunaF

Tierra LunaTierra ,Luna Luna,Tierra 2

m mF F G

d

Web

Para aplicar la ley de gravitación universal a cuerpos con cierto volumen, como la Tierra o la Luna, supondremos que toda su masa está concentrada en su centro, de manera que d es la distancia entre sus centros.

Actividad1: Calcular el módulo de la fuerza con que se atraen la Tierra y la Luna.

Datos: mT =5,98·1024 kg; mL = 7,349 × 1022 kg; 2

2

N m

kg

G=6,67·10–11

RT= 6370 km =6,37·106 m RL= 1738 km =1,738·106 m

Tierra LunaT,L L,T 2

m mF F G

d

24 2211

8 2

5,98 10 7,349 106,67 10

(3,844 10 )

201,98 10 N


Ejercicio : Calcular el módulo de la fuerza gravitatoria con que se atraen dos masas

Datos: m1 =250 g = 0,250 Kg; m2 = 0,250 kg; d = 10 cm = 0,10 m ; 2

2

N m

kg

;

Aplicando la ley de Newton de la Gravitación Universal obtendremos el valor de la fuerza que nos piden:

1 21,2 2,1 2

m mF F G

d

G=6,67·10–11

iguales de 250 g cuando la distancia entre ellas es de 10 cm.

m1 = 0,250 kg

2,1F

1,2Fd = 0,10 m

m2 = 0,250 kg

112

0,25 0,256,67 10

0,10

104,2 10 N


Ejercicio : 2 de la página 89

Datos: m1 = 30 Kg; m2 = 30 kg; d = 20 cm = 0,20 m ; G = 6,67·10-11

2

2

kg

mN

Aplicando la ley de Newton de la Gravitación Universal obtendremos el valor de la fuerza que nos piden:

1 22

m mF G

d

11

2

30 306,67 10

0,20

61,5 10 N


Ejercicio : 5 de la página 89

Datos: m = 70 kg; F =315 N; d = 5000 km = 5 · 106 m; G = 6,67·10-11 2

2

kg

mN

Aplicamos la ley de Newton de la Gravitación Universal:

2

M mF G

d

2F dM

G m

despejando la masa del planeta M:

6 2

11

315 (5 10 )

6,67 10 70

241,69 10 kg


Ejercicio : ¿A que distancia se encuentran dos masas de 2 kg cada una , si

Datos: m1 = m2 = 2 kg; F =10–7 N; G = 6,67·10-11 2

2

kg

mN

Aplicamos la ley de Newton de la Gravitación Universal:

1 22

m mF G

d

1 2G m md

F

despejando la distancia d :

11

7

6,67 10 2 2

10

25,2 10 m

sabemos que la fuerza gravitatoria entre ellas vale 10–7 N ?


Concepto de campo

Sabemos que el Sol ejerce una fuerza de atracción gravitatoria sobre los planetas que giran a su alrededor. Ésta es una fuerza a distancia, pues no hay contacto entre el Sol y los planetas.

Para explicar estas fuerzas a distancia admitimos que el Sol perturba (modifica) de algún modo el espacio que lo rodea, de manera que se produce una fuerza sobre los cuerpos que están a su alrededor.

Podemos decir que cuando un planeta gira alrededor del Sol es debido a que el Sol “tira” de él, a través de los millones de kilómetros de espacio vacío e inerte, usando para ello un concepto denominado “acción a distancia”, es decir, esta misteriosa capacidad de lograr que un cuerpo afecte a otro sin que “haya nada en medio”.

No obstante otra forma más física de interpretar el mismo suceso es suponer que el Sol crea algún tipo de perturbación, crea una entidad que hace que, cuando un planeta se sitúa en el mismo espacio, éste se sienta atraído. A esta perturbación es a la que se denomina campo.


Para profundizar en el concepto de campo, veamos el símil siguiente:

Imaginemos una superficie horizontal elástica y tensa como la de la figura.

Si colocamos en un punto un cuerpo suficientemente ligero, la superficie no se deformará y el cuerpo permanecerá en ese punto

Si antes de colocar el cuerpo ligero, colocamos en el centro de la superficie un cuerpo suficientemente pesado, ésta se deformará

Concepto de campo (Cont.1)


Si ahora colocamos el cuerpo ligero en el mismo lugar que antes, comprobaríamos que sobre él actúa una fuerza como si fuera atraído por el cuerpo pesado.

El cuerpo pesado produce una deformación (perturbación) en la superficie, dotándola de cierta propiedad en cada uno de sus puntos que antes no tenía : esto es, crea un campo.

Concepto de campo (Cont.2)


1.2.Campo gravitatorio

Es la perturbación que un cuerpo produce en el espacio que lo rodea por el hecho de tener masa.

Llamamos intensidad del campo gravitatorio en un punto del espacio a la fuerza ejercida por el campo sobre la unidad de masa situada en dicho punto.

M = masa que crea el campo

g

Matemáticamente podemos escribir:

Fg

m

M mG

2 udm

Frecuentemente se utiliza el término campo gravitatorio para denominar al vector intensidad del campo gravitatorio.

2

MG u

d

El módulo de este vector es: F

gm

2

MG

d

d = distancia desde M al punto.

Unidad en el S.I.

1NN kg

kg

M mG

2d

m


1.2.Campo gravitatorio (Cont.)

La fuerza gravitatoria sobre una masa m situada en un punto en el que la intensidad del campo gravitatorio es se puede expresar:g

F m g

(Relación entre módulos) F m g

Representación del campo gravitatorio

Un campo de fuerzas, como el campo gravitatorio, puede representarse por sus líneas de fuerzas o líneas de campo .

►Las líneas de fuerzas o líneas de campo son líneas imaginarias tangentes al vector intensidad de campo en cada punto.

Se trazan de modo que la densidad de líneas de campo sea proporcional al módulo del campo gravitatorio M

Lineas de fuerzas del campo gravitatorio creado por una masa puntual M

Fg

m


Actividad2: a) Calcular el módulo el campo gravitatorio creado por una masa

2

Mg G

d

Datos: M= 300 kg; d = 5 m ; G = 6,67·10-11 2 2N m kg

El módulo de la intensidad de campo gravitatorio en el punto P vale:

112

3006,67 10

5 8 N

8 10kg

b) Si en el punto anterior colocamos una masa de 200 kg , ¿ qué fuerza ejercerá el campo sobre ella?

F m g 8200 8 10 51,6 10 N

M

P

300 kg

d = 5 m m 200 kg

F

Como ya conocemos el valor del campo en ese punto , no es necesario aplicar la expresión de la ley de Newton para calcular la fuerza F:

puntual de 300 kg en un punto P situado a 5 m de ella.

Fg

m

Lógicamente, obtendríamos el mismo valor aplicando la ley de la Gravitación Universal de Newton:

2

M mF G

d

11

2

300 2006,67 10

5

51,6 10 N


Actividad 3:Calcular el valor de la intensidad del campo gravitatorio sobre la superficie de la Tierra

Datos: MT = 5,98·1024 kg; RT = 6,37·106 m ; G = 6,67·10-11 2

2

N m

kg

T2T

MG

R

2411

6 2

5,98 106,67 10

(6,37 10 )

N9,83

kg

Aplicamos la expresión anterior teniendo en cuenta que la distancia d coincide con el radio de la Tierra RT :

¿Y en la cima del Everest, cuya altura es de 8 850 m ?

La distancia d es ahora:

T2

T

MG

(R h)

2411

6 3 2

5,98 106,67 10

(6,37 10 8,85 10 )

N9,80

kg

T2

Mg G

d

d = RT

d = RT + h

RT

h

T2

Mg G

d


1.3. Peso de los cuerpo

Peso de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra (o el planeta en el que se encuentre) lo atrae.

dTierra ,cuerpoF p (peso)

Tierra

Cuerpo de masa m

p

p

El peso de un cuerpo está relacionado con la intensidad del campo gravitatorio de la Tierra (del planeta):

TTierra ,cuerpo 2

M mF p G

d

La fuerza peso, al igual que la intensidad de campo, tiene en cualquier punto dirección radial y sentido dirigido hacia el centro de la Tierra.

p m· g

El peso , como cualquier otra fuerza , se mide en newton ( N ) , en el S.I.

Es frecuente medirlo en kilopondios (kp) [ Se abrevia kilos ]

Del curso pasado sabemos que: 1 Kp = 9,8 N 10 N


►Hacer caer el objeto sobre la superficie terrestre

g =9,8 m/s2

g =9,8 m/s2

g =9,8 m/s2

g =9,8 m/s2

La caída tiene lugar con una aceleración a la que llamamos aceleración de la gravedad , que tiene el mismo valor que la intensidad del campo gravitatorio en ese punto.

g =9,8 m/s2

g

La aceleración de la gravedad (y la intensidad del campo gravitatorio ) no es constante sino que disminuye con la distancia al centro de la Tierra.

T2

Mg G

d

El peso es el responsable de :

Aunque para puntos próximos a la superficie de la Tierra podemos tomarla por 9,8 m/s2 .


►Mantener el objeto o satélite en órbita alrededor de la Tierra.

p

En este caso, el peso actúa como fuerza centrípeta

La fuerza centrípeta es imprescindible para que cualquier objeto describa una órbita cerrada ( circular, elíptica, … )

Esto ocurre con la Luna o con los satélites artificiales.


Masa y Peso

Aunque en el lenguaje cotidiano confundimos ambas magnitudes: Mi peso es 60 kg, debemos diferenciarlas claramente.

La masa es una magnitud escalar propia de cada cuerpo que se refiere a la cantidad de materia que contiene e indica la resistencia que el cuerpo ofrece a ser acelerado.

Es constante y su valor no depende del lugar en el que se encuentre el cuerpo. Se mide en kg en el S.I.

Por el contrario, el peso es una magnitud vectorial que expresa la fuerza con que la Tierra lo atrae.

Se mide en N en el S.I. Su valor no es constante, ya que depende del lugar en el que se encuentre el cuerpo.

Ambas magnitudes está relacionadas: p m· g


Variación de la gravedad y del peso con la altura

T0 2

T

Mg G

R

h

T2

T

Mg G

(R h)

Hemos visto que la aceleración de la gravedad y el peso varían con la altura.

Si llamamos g0 a la aceleración de la gravedad sobre la superficie de la Tierra y g al valor de la aceleración de la gravedad a una altura h:

Dividiendo ambas ecuaciones, obtendremos una expresión que nos relaciona a ambas aceleraciones.

0

g

g

G

TM 2

T(R

G

h)

TM 2

TR

2

20 T

Tg

(

R

R )g h

Para el peso nos vale la misma expresión. Basta cambiar la aceleración g por el peso p.


Actividad : Determinar a qué altura sobre la superficie de la Tierra debemos subir un cuerpo para su peso se reduzca un 20 %

Datos: RT = 6 370 km = 6,37·106 m

Para que el peso se reduzca un 20%, la aceleración de la gravedad debe reducirse en el mismo porcentaje.

g0

h

g Si debe de reducirse un 20%, a la altura h la aceleración g debe valer el 80% de g0:

g = 0,80 · g0

Sustituyendo en la expresión que obtuvimos en la diapositiva anterior:

2T

20 T

Rg

g (R h)

00,8 g

0g

2T

2T

R

(R h)

Resolviendo la ecuación anterior ,podemos calcular la altura h que nos piden:

TR (1 0,8)h

0,8

6370 (1 0,8)

0,8

752 km


Ejercicio: Calcula el valor de la aceleración de la gravedad en un avión que se encuentra a 18 km de altura.

Datos: MT= 5,98·1024 kg; RT = 6,37·106 m ; h =18·103 m ; G = 6,67·10-11 2

2

kg

mN

h

RT

d

La distancia desde el centro de la Tierra al avión vale:

6 3 6Td R h 6,37 10 18 10 6,388 10 m

T2

Mg G

d

Y la aceleración de la gravedad:

2411

6 2

5,98 106,67 10

(6,388 10 )

2

m9,77

s


2.Fuerzas eléctricas. Electrización.

La corteza de los átomos está formada por electrones, partículas con carga negativa, mientras que el núcleo de los átomos está constituido por protones, partículas con carga positiva del mismo valor absoluto que la carga del electrón, y neutrones, sin carga eléctrica

En condiciones normales, los cuerpos son neutros, porque tienen el mismo número de protones que de electrones

La electrización es el proceso por el que un cuerpo adquiere carga eléctrica, ganando o perdiendo electrones.

• Si gana electrones, adquiere carga negativa.

• Si pierde electrones, adquiere carga positiva

Los cuerpos se pueden electrizar por frotamiento, por contacto o por inducción

La carga eléctrica de un cuerpo tiene su origen en la estructura atómica de la materia.

La unidad de carga eléctrica en el S.I. es el Culombio (C)


Las propiedades de la carga eléctrica son:

2.Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica (Cont.)

• Sólo existen dos clases de carga, la positiva y la negativa. No existe la carga neutra: un cuerpo neutro contiene cargas positivas y cargas negativas en igual número.

• Las cargas eléctricas interaccionan entre sí: ▪ si son de distinto signo, se ejercen entre ellas fuerzas atractivas, ▪ y si son del mismo signo, se ejercen entre ellas fuerzas repulsivas.

• Conservación de la carga eléctrica. En todo fenómeno físico (o químico) la carga total permanece constante; es posible que alguna carga pase de un cuerpo a otro, pero la carga eléctrica total no varía. Ver figura

• Cuantización de la carga eléctrica. Cualquier carga eléctrica que manejemos es siempre un múltiplo entero de una unidad elemental de carga eléctrica, que es la carga del electrón. Esto es evidente si tenemos presente que los cuerpos se electrizan ganando o cediendo electrones, por tanto la carga que adquiera tiene que ser un cierto número de veces, la carga del electrón. 1 electrón = 1,6 ·10 –19 C


2.2.Ley de COULOMB

+ –

Q1 Q1Q2 Q2

2,1F

2,1F

1,2F

1,2F

1u

1u

2u

2u

d d

1 21,2 2,1 12

Q QF F k u

d

1 22,1 1,2 22

Q QF F k u

d

1 22,1 1,2 2

Q QF F k

d

El módulo de estas fuerzas es:

+ +

2,1F

2,1F

1,2F

1,2F

1u

1u

2u

2u

d d– – – +

Dos partículas con carga eléctrica se atraen (si tienen el distinto signo) o se repelen (si tienen el mismo signo) mutuamente con fuerzas dirigidas a lo largo de la línea que las une y cuyo módulo es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Las fuerzas son iguales y opuestas: 1,2 2,1F F


2.2.Ley de COULOMB (Cont.)

La constante de proporcionalidad k recibe el nombre de constante eléctrica.

Su valor depende del medio que rodea a las cargas.

En el vacío y en el aire vale:

29

2

N mk 9 10

C

En el agua:

2 29 9

2 2

9 N m N mk 10 0,113 10

80 C C


Actividad :Tenemos dos cargas de + 3 ·10–6 C y – 1,2 · 10–5 C situadas a 50 cm de distancia. Calcular el valor de la fuerza con que se atraen cuando se encuentran : a) en el aire b) en el agua

Datos: Q1 = + 3 ·10–6 C; Q2 = – 1,2 · 10–5 C; d = 50 cm = 0,50 m; K = 9·109 N·m2·C–2

a) Para calcular el valor de la fuerza basta aplicar la expresión del módulo de la fuerza de Coulomb:

1 2

2

Q QF F k

d

6 59

2

3 10 1,2 109 10

0,5

1,3 N

b) Si el medio interpuesto entre las cargas es agua, distinto del vacío (aire), el valor de la constante eléctrica es 80 veces más pequeño, ya que la permitividad eléctrica del agua respecto del vacío (constante dieléctrica del agua) vale 80:

9 29

agua 2

9 10 N mK 0,1125 10

80 C

La fuerza se hará 80 veces más pequeña. En efecto:

1 2

2

Q QF F k

d

6 59

2

3 10 1,2 100,1125 10

0,5

21,62 10 N

Ejercicio: 16 de la página 95

+

protón

electrón

átomo de hidrógeno

–

protón,electrónF –

La carga del protón = 1,6·10-19 C

La carga del electrón = –1,6·10-19 C

La distancia protón-electrón= 5·10-11 m2

92

N mk 9 10

C

La constante eléctrica:

Datos

19 19protón electrón 9 8

2 11 2

Q Q 1,6 10 1,6 10F k 9 10 9,2 10 N

d (5 10 )

Calculamos el módulo de la fuerza electrostática con que se atraen ambas partículas mediante la ley de Coulomb:

21/04/23 Departamento de Física y Química - IPFA Cádiz 29

¡OJO! Para calcular el módulo de la fuerza pondremos el valor absoluto de las cargas

21/04/23 29Departamento de Física y Química - IPEP Cádiz


Ejercicio: 19 de la página 95

Datos: F = 2,7·10 -6 N ; Q1 = +150 nC = + 150 ·10-9 C ; d = 10 m; k = 9 ·109

2

2

N m

C

Aplicamos la ley de Coulomb:

1 22

Q QF k

d

Despejamos la carga Q2 :

2

21

F dQ

k Q

La carga que nos piden es: Q2 = – 200 nC ya que la fuerza es atractiva

72 10 C 200 nC 6 2

9 9

2,7 10 10

9 10 150 10


Fuerzas eléctricas.Principio de superposiciónLas fuerzas eléctricas y las gravitatorias cumplen el principio de superposición.La fuerza resultante sobre una carga será la suma vectorial todas las fuerzas que actúan sobre esa carga.

+Q3+ Q3

–

–Q1

Q2

–

–

Q2

Q1

2,3F

1,3F

3F

3F

2,3F

1,3F

+ –+

Q1 Q2Q3

3F

1,3F

2,3F

3 1,3 2,3F F F

3 2,3 1,3F F F

3 1,3 2,3F F F

3 1,3 2,3F F F

2 23 1,3 2,3F F F

3 1,3 2,3F F F

Vectorialmente:

En módulos:

Vectorialmente:

En módulos:

Vectorialmente:

En módulos:


COMPARACIÓN ENTRE LA LEY DE NEWTON Y LA LEY DE COULOMB

Ley de Newton Ley de Coulomb SEMEJANZAS

▪ Existen dos fuerzas, una sobre cada cuerpo

▪ Las dos fuerzas tienen el mismo valor y son de sentido contrario

▪ Son directamente proporcionales al producto de las masas (cargas)

▪ Son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia

DIFERENCIAS

Las fuerzas:

• Son siempre atractivas

• No dependen del medio

• Existen entre cualquier pareja de cuerpos

• Son importantes sólo cuando un cuerpo es muy grande y no a nivel

atómico o molecular

Las fuerzas:

• Pueden ser atractivas o repulsivas

• Sí dependen del medio

• Sólo existen entre cuerpos con carga eléctrica neta

• Son importantes en cuerpos pequeños, y a nivel atómico y molecular


2.3. Campo eléctricoCampo eléctrico es la perturbación que un cuerpo produce en el espacio que lo rodea por el hecho de tener carga eléctrica

Llamamos intensidad del campo eléctrico en un punto del espacio a la fuerza ejercida por el campo sobre la unidad de carga positiva situada en dicho punto.

Q = carga que crea el campo

E

Matemáticamente podemos escribir:

FE

q

Q qK

2 u

dq

2

QK u

d

El módulo de este vector es: FE

q

2

QK

d

d = distancia desde Q al punto.

Unidad en el S.I.

1NN C

C

Q qK

2d

q

Frecuentemente se utiliza el término campo eléctrico para denominar al vector intensidad del campo eléctrico.


La fuerza eléctrica sobre una carga q situada en un punto en el que la intensidad del campo gravitatorio es se puede expresar:

F q E

(Relación entre módulos) F q E

2.3. Campo eléctrico (Cont.)

E

Representación del campo eléctrico

Un campo de fuerzas, como el campo eléctrico, puede representarse por sus líneas de fuerzas o líneas de campo .

►Las líneas de fuerzas o líneas de campo son líneas imaginarias tangentes al vector intensidad de campo en cada punto.

Se trazan de modo que la densidad de líneas de campo sea proporcional al módulo del campo eléctrico

Lineas de fuerzas del campo gravitatorio creado por una carga puntual +Q

+Q –Q

Lineas de fuerzas del campo gravitatorio creado por una carga puntual –Q


Actividad: Calcular el módulo el campo eléctrico creado por una carga puntual

de +300 μC en un punto P situado a 5 m de ella.

2

QE K

d

Datos: Q= 300 μC = 3· 10–4 C ; d = 5 m ; K = 9·109 2 2N m C

El módulo de la intensidad del campo eléctrico en el punto P vale:

49

2

3 109 10

5

5 N

1,08 10C

Si en el punto anterior colocamos una carga de –200 μC , ¿ qué fuerza (valor ) ejercerá el campo sobre ella?

F q E 6 5200 10 1,08 10 21,6 N

P

300 μC

d = 5 m m 200 kg

F

Como ya conocemos el valor del campo en ese punto , no es necesario aplicar la expresión de la ley de Newton para calcular la fuerza F:

Q


Actividad 11 página 177:Datos: Q = +4 μC = + 4· 10–6 C; r = 50 cm = 0,50 m;

a) En el vacío K = 9·109 N·m2·C–2

++ 0,5 m

Dibujamos el vector campo E��

QE�� Este es el vector intensidad de campo creado por

la carga Q a 0,50 m de distancia. Su módulo es:

2

QE k

r

69

2

4 109 10

0,50

5 N

1,4 10C

b) En el agua, como la permitividad eléctrica relativa del agua vale 80, vimos en el ejercicio 8 que la constante k toma el siguiente valor:

9 29

agua 2

9 10 N mK 0,1125 10

80 C

Y el valor de la intensidad de campo será:

69 3

2 2

Q 4 10 NE k 0,1125 10 1,8 10

r 0,50 C


INICIO


Fuerzas eléctricas: Carga eléctrica

Volver



Electrización por frotamiento

Volver


Fuerzas eléctricas: Carga eléctricaElectrización por contacto

+–+–

+–

+

+–

+ +– +–+

+ +–

+–

+–+–

+–

+–

+–

+– +– +–+–

+– +–

+–

+–+–

+–

+

+–

+ +– +–+

+ +–

+–

++

++

+

++

++

+

––

–

++

++

+

––

–

Cuerpo neutro

Cuerpo con carga neta positiva


Fuerzas eléctricas: Carga eléctricaElectrización por contacto

+–+–

+–

+

+–

+– +– +–+

+ +–

+–++

++

+

Cuerpo neutro

Cuerpo con carga neta positiva

–

–

–

+–+–

+–

+

+–

+ +– +–+

+ +–

+–

–

Volver



Electrización por inducción

+–+–

+–

+–

+–

+– +– +–+–

+– +–

+–++

++

+

Cuerpo neutro

Cuerpo con carga neta negativa

+–+–

+–

+–

+–

+– +– +–+–

+– +–

+–

–

+–+–

+–

+–

+–

+– +– +–+–

+– +–

+–

–

– –

–

–

–

–

–

Volver

21/04/23 Departamento de Física y Química - IPEP Cádiz

d = RT

T2

T

Mg G

R

VOLVER

La distancia d se mide SIEMPRE desde el centro de los cuerpos

43


d = RT RT

h

d =

RT

+ h

VOLVER


T0 2

T

Mg G

R

T2

T

Mg G

(R h)


Carga eléctrica

Carga eléctrica de varillas por frotamiento

Varillas de diferentes materiales frotadas con tela atraen a trozos de algún material liviano tal como corcho, papel o semillas de grama. Se observa como dichos materiales son atraídos por las varillas debido a la carga eléctrica presente.



Carga eléctrica

Carga eléctrica de un globo por frotamiento

Se frota con un paño un globo inflado y se puede observar que atrae pequeños trozos de un material liviano. También se puede observar que se adhiere a una superficie, como por ejemplo el pizarrón.



Carga eléctrica

Carga eléctrica de un electroscopio por contacto

Varillas de diferentes materiales previamente cargadas por frotamiento le transmiten carga por contacto al electroscopio, la cual se detecta por la separación de las láminas del mismo

Electrización por contacto


Carga eléctrica

Varios electroscopios Se dispone de varios electroscopios de fabricación casera, mediante los cuales se muestra lo sencillo que resulta su elaboración con materiales y objetos de uso cotidiano.

Electrización por contacto


Electrización de un electroscopio por inducción

Un electroscopio se puede cargar eléctricamente por medio del acercamiento de una varilla cargada previamente por frotamiento, sin necesidad de que exista contacto entre el electroscopio y la varilla cargada

Electrización por inducciónCarga eléctrica

http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/electrostatica/html/contenido.html


Clasificación de varillas cargadas eléctricamente

Se dispone de un conjunto de varillas de distintos materiales que pueden ser cargadas eléctricamente por frotamiento. Por medio del electroscopio y

utilizando varillas patrones: ebonita (-) y vidrio (+), se puede determinar el signo de la carga eléctrica de las varillas

Cargas eléctricas de distinto signoCarga eléctrica


Cargas eléctricas de distinto signo

Materiales que se frotan entre sí adquieren carga eléctrica de signo contrario

Esto se puede comprobar por medio del uso de dos materiales distintos, los cuales después de ser frotados entre ellos, se ponen en contacto con un electroscopio. Este experimento se realiza frotando plástico con tela de lana y metal con plexiglás.

Carga eléctrica


Materiales aislantes y conductores

Clasificación de materiales

Se carga eléctricamente un electroscopio. Luego se pone en contacto utilizando distintos materiales con otro electroscopio, observándose como en algunas de estas situaciones se descarga y en otras no, pudiéndose discriminar entre materiales aislantes y conductores.

Carga eléctricaConductores y aislantes


Materiales aislantes y conductores

Tres varillas conductoras Se tienen tres tubos metálicos de diferentes tamaños. Se observa que al hacer contacto con cada uno de ellos el electroscopio se descarga parcialmente.

Carga eléctricaConductores y aislantes


El cuerpo humano es conductor

Se carga eléctricamente un electroscopio. Luego una persona toca la parte superior de él y se observa como éste se descarga.

Carga eléctrica


Carga eléctrica de dos electroscopios de manera simultánea

Se colocan dos electroscopios conectados por medio de una varilla conductora. Se observa que al cargar un electroscopio las láminas del otro también se separan por medio de la transferencia de carga a través de ellos.

Carga eléctrica


Descargas eléctricas

Por medio del uso de generadores electrostáticos tales como el generador de Whimsurt o generador de Van der Graff se pueden observar descargas eléctricas, a través del aire, entre las esferas cargadas eléctricamente con distintos signos en dichos generadores.


Esferas suspendidas de un mismo punto cargadas con el mismo signo

Dos pequeñas esferas suspendidas de un mismo punto se cargan eléctricamente de igual signo. Se puede observar la separación entre ellas por efecto de la fuerza de repulsión.

Cargas de igual signo se repelenLey de Coulomb Carga eléctrica



Cargas de igual signo se repelen

Esferas suspendidas independiente cargadas con el mismo signo

Dos pequeñas esferas suspendidas y las cuales se pueden ubicar a distintas distancias se cargan eléctricamente de igual signo. Se puede observar el aumento de la separación entre ellas por efecto de la fuerza de repulsión.

Ley de Coulomb Carga eléctrica


Cargas de distinto signo se atraen

Esferas suspendidas independiente cargadas con signos contrarios

Dos pequeñas esferas suspendidas y las cuales se pueden ubicar a distintas distancia se cargan eléctricamente de distino signo. Se puede observar la disminución de la separación entre ellas por efecto de la fuerza de atracción


Variación de la fuerza de atracción o repulsión con la distancia

Dos esferas cargadas Dos pequeñas esferas suspendidas que se pueden ubicar a distintas distancias se cargan eléctricamente de igual o distinto signo. Se puede observar que al variar la separación entre ellas varia la fuerza interactuante


Interacción entre varillas cargadas eléctricamente

Varillas con igual carga eléctrica

Se suspende una varilla de tal manera que pueda girar libremente y se carga eléctricamente en uno de sus extremos por frotamieno. Al acercar otra varilla cargada con el mismo signo se puede observar el torque que produce la repulsión.



Interacción entre varillas cargadas eléctricamente

Varillas con distinta carga eléctrica

Se suspende una varilla de tal manera que pueda girar libremente y se carga eléctricamente en uno de sus extremos por frotamieno. Al acercar otra varilla cargada con distinto signo se puede observar la atracción que se produce


Campo eléctrico Líneas de campo eléctrico

Carga puntual Por medio del uso de aceite, semillas de grama y empleando un pequeño electrodo cilíndrico que se carga con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo para una carga puntual.



Cargas puntuales con igual signo

Por medio del uso de aceite, semillas de grama y empleando dos electrodos cilíndricos que se cargan de igual signo con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo para dos cargas eléctricas puntuales del mismo signo.


Cargas puntuales con distinto signo

Por medio del uso de aceite, semillas de grama y empleando dos electrodos cilíndricos que se cargan de distinto signo con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo de dos cargas eléctricas puntuales de distinto signo.



Lámina finita Por medio del uso de aceite, semillas de grama y empleando una láminas metálicas finita que se carga con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo eléctrico correspondientes.



Láminas finitas con igual signo

Por medio del uso de aceite, semillas de grama y empleando dos láminas metálicas finitas que se cargan de igual signo con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo eléctrico para láminas finitas paralelas del mismo signo. Se pueden observar los efectos de bordes.



Láminas finitas con distinto signo

Por medio del uso de aceite, semillas de grama y empleando dos láminas metálicas finitas que se cargan de distinto signo con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo eléctrico para láminas finitas paralelas de distinto signo. Se pueden observar los efectos de bordes.



Láminas infinitas con igual signo

Por medio del uso de aceite, semillas de grama y empleando dos láminas metálicas de una longitud considerable, que se cargan de igual signo con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo eléctrico para láminas infinitas paralelas de igual signo.



Láminas infinitas con distinto signo

Por medio del uso de aceite, semillas de grama y empleando dos láminas metálicas de una longitud considerable, que se cargan de distinto signo con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo eléctrico para láminas infinitas paralelas de distinto signo.



Configuración cilíndrica

Por medio del uso de aceite, semillas de grama y empleando un recipiente metálico cilíndrico que se carga con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo eléctrico correspondientes.



Configuración irregular

Por medio del uso de aceite, semillas de grama y empleando un recipiente metálico de forma irregular que se carga con el generador de Wimshurt, se obtienen las líneas de campo eléctrico correspondientes.



Distribución de la carga eléctrica en un conductor

Esfera metálica hueca cargada eléctricamente

En este experimento se utiliza el casquete esférico del generador de Van der Graaf. Esta esfera metálica hueca se carga eléctricamente con el generador de Wimshurt, comprobándose que la carga se distribuye solamente en la superficie externa y no en la interna.


Distribución de la carga eléctrica en un conductor

Una pequeña jaula de metal con materiales conductores livianos suspendidos tanto por fuera como por dentro, se carga utilizando un generador electrostático. Se puede observar como los conductores que se encuentran dentro de la jaula no sufren efecto alguno, mientras que los que se encuentran en la parte externa son cargados y luego repelidos.


Carga por inducción de dos esferas conductoras

En este experimento se usan dos esferas conductoras con mango aislante y el generador de Van der Graff. Se pueden obtener distintas combinaciones de carga eléctrica de las esferas conductoras en dependencia del procedimiento seguido.i) Las dos esferas conductoras se cargan eléctricamente, cada una de ellas con distinto signo.ii) Ambas esferas se cargan eléctricamente con el mismo signo.


Determinación de la carga eléctrica producida por el generador de Van der Graff

Por medio del electroscopio y utilizando varillas patrones: ebonita (-) y vidrio (+), se puede determinar el signo de la carga eléctrica de la esfera grande y la esfera pequeña de este generador.


Orientación de dipolos en un campo eléctrico

Utilizando la esfera mayor del Generador de Van der Graff, se produce un campo eléctrico que es capaz de orientar pequeños dipolos, los cuales se alinean radialmente.


Superficies equipotenciales

Superficies equipotenciales cilíndricas

Se produce un campo eléctrico radial y por medio de un electrodo unido a un voltímetro se ubican puntos de igual potencial eléctrico.

Potencial eléctrico


Superficies equipotenciales planas

Se produce un campo eléctrico entre dos placas conductoras paralelas y por medio de un electrodo unido a un voltímetro se ubican puntos de igual potencial eléctrico.

Superficies equipotencialesPotencial eléctrico


Diferencia de potencial eléctrico

Tubo fluorescente

En un campo eléctrico radial producido por la esfera mayor del generador de Van der Graff, se coloca un tubo que contiene un gas. La diferencia de potencial entre sus extremos produce una descarga interna que hace que el gas se ionice, produciéndose una coloración dentro del tubo.


Explosión producida por un rayo

Se dispone de una maqueta con una casita la cual tiene un sistema que permite observar la explosión de ella al hacerle caer un rayo. Dicha explosión se evita si se conecta el pararrayos de la casita a tierra.


Incendio producido por un rayo

Se dispone de una maqueta con dos casitas, una de las cuales tiene un pararrayos conectado a tierra. Al hacerles caer rayos, se incendia la que no posee el pararrayos.


Viento eléctrico

Un objeto puntiagudo es cargado eléctricamente por medio de un generador electrostático. Si este objeto esta próximo a la llama de una vela encendida se puede observar que ésta se desvía.

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M

ru

g

u

g

gg

g

g

g

g


1.3. Peso de los cuerpos

Peso de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae.

dTierra ,cuerpoF p (peso)

Tierra

Cuerpo de masa m

p

p

El valor de esta fuerza, su módulo, es:

T2

M mp p G

d

Donde vemos que al variar la distancia d al centro de la Tierra , varía el peso del cuerpo.

Comparando con la ecuación: p m· g

obtenemos una expresión para la aceleración de la gravedad:T

2

Mg G

d


1.1. Intensidad del campo gravitatorio terrestre

P

r

g u

En el punto P, que dista una distancia r del centro de la Tierra, el vector intensidad de campo es:

T2

Mg G u

r

donde MT es la masa de la Tierra.La distancia r la podemos poner en función del radio de la Tierra RT y de la altura h:

RT

h

r = RT + h

T2

T

Mg G u

(R h)

El módulo de este vector es:

T2

T

Mg G

(R h)

Para puntos situados sobre la superficie de la Tierra a nivel del mar donde h = 0:

T2

T

Mg G

R

26/04/2015 departamento de física y química - ipep cádiz 1 tema 5 : interacciones fundamentales...

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